Digitale Herausforderungen: Echtzeitsignalverarbeitung für Sensoren und Aktoren aus den Bereichen Medizin, Sprache und SONAR

 

Viele technische Systeme können durch ein geschicktes Zusammenspiel zwischen Hardware und dazu optimierten Verarbeitungsalgorithmen merklich verbessert werden. Dabei spielen eine numerisch robuste und gleichzeitig recheneffiziente Umsetzung sowie eine geringe Latenz bei Systemen, die in geschlossenen Schleifen operieren, eine zentrale Rolle.

 

Im Rahmen des Vortrags werden aus diesem Anwendungsfeld drei Beispiele vorgestellt: So wird zunächst gezeigt, wie sowohl konventionelle als auch neuartige magnetische Sensoren zur berührungslosen Messung von medizinisch relevanten Messgrößen eingesetzt werden können. Im SONAR-Bereich wird ein System vorgestellt, welches durch geschickte Verwendung von sog. MIMO-Techniken (MIMO steht für mulitple-input multiple ouput) die Ortung bzw. die Kommunikation unter Wasser merklich verbessert. Als letztes Beispiel wird gezeigt, wie in Fahrzeugen Innen- und Außenmikrofone zusammen mit den Fahrzeuglautsprechern genutzt werden können, um die Fahrsicherheit und den Komfort zu erhöhen.

Damit solche Systeme schnellen und robusten Einzug in industrielle Produkte halten können, ist eine entsprechende Softwarestruktur notwendig. Daher wird im Rahmen des Vortrags ein System vorgestellt, wie einerseits möglichst schnell wissenschaftliche Erkenntnisse in industrielle Produkte umgesetzt werden können und wie andererseits solche neuen Verfahren auch gleichzeitig mit den notwendigen standardisierten und reproduzierbaren Tests versehen werden können.

 

Details

In der Medizin ist ein Trend zur berührungslosen Erfassung von medizinisch relevanten Messgrößen festzustellen. Diese Methode findet trotz ihrer Vorteile noch sehr selten in der klinischen Routine Anwendung. Etablierte Systeme basieren auf supraleitenden Quanten-Interferenz-Einheiten, welche eine magnetische Schirmkammer und eine kostenintensive Kühlung benötigen. Die Nachfrage nach alternativen kostengünstigen magnetischen Sensorsystemen ist daher immens. Es gibt mehrere geeignete konventionelle als auch neuartige Sensorkonzepte, welche zur berührungslosen Messung von medizinisch relevanten Messgrößen eingesetzt werden können. Diese Konzepte werden im Rahmen dieses Vortrags vorgestellt und deren medizinische Anwendung zur Verbesserung der Diagnostik erläutert.

 

Am Lehrstuhl für digitale Signalverarbeitung und Systemtheorie wird ein neuartiges SONAR-System entwickelt, welches nicht nur mit einzelnen Signalen arbeitet, sondern mehrere sog. orthogonale Signale gleichzeitig sendet und empfängt (sog. MIMO – multiple-input multiple-output). Hierdurch wird eine Auflösungsverbesserung erreicht. Zusätzlich werden kognitive Ansätze verfolgt, bei denen das System auf Umwelteinflüsse und in vorherigen Pings gesammelte Informationen reagiert und das eigene Sende- und Auswerteverhalten dynamisch anpasst. Neben den klassischen SONAR-Anwendungen wie Zielfindung, Kartographierung oder Navigation werden auch weitere Forschungsgebiete unter Wasser intensiv bearbeitet. In der an die technische Fakultät angeschlossene Materialwissenschaft werden neue Klassen von Hydrophonen entwickelt, an deren optimaler Ansteuerung und Signalverarbeitung am DSS-Lehrstuhl geforscht wird. Auch die Kommunikation unter Wasser ist ein zentrales Thema, bei dem es neben der Datenkommunikation auch um effiziente und robuste digitale, wie analoge Verfahren zur Sprachkommunikation geht. Auch Hybridverfahren sollen im Verlauf der Forschungen entwickelt und untersucht werden.

 

Sprachkommunikation in gestörten Umgebungen stellt häufig ein großes Problem dar. Oft ist es nicht oder nur mit großer Anstrengung möglich, sich mit seinem Gegenüber zu unterhalten. Ein Beispiel für solch eine Umgebung sind Autos. Gerade bei Fahrzeugen, in denen die Fahrgäste weit auseinander platziert sind, wie es in Kleintransportern bzw. Vans der Fall sein kann oder auch Cabrios, die kaum schallisoliert sind, sorgt bereits eine moderate Geschwindigkeit für hohe Umgebungsgeräusche. Sogenannte Innenraumkommunikationssysteme (ICC-Systeme) können helfen die Situation zu verbessern, indem die jeweiligen Fahrgäste mit nahen Mikrofonen aufgenommen und bei den jeweils anderen Gesprächstpartner(n) wiedergegeben werden. Dieses zunächst sehr einfach klingende Prinzip bringt aber diverse Herausforderungen mit sich. Eine davon sind Rückkopplungen, die auftreten können, wenn ein Lautsprechersignal wieder in ein Mikrofon einkoppelt und erneut verstärkt wird. Dies kann im schlimmsten Fall zu dem klassischen „Pfeifen“, was wohlmöglich einigen von Konzerten bekannt sein dürfte, führen. In weniger schlimmen Fällen entsteht Hall, der sich ebenfalls negativ auf die Sprachqualität auswirkt. Auch würde in so einem System das Umgebungsgeräusch verstärkt wiedergegeben werden, da es ebenfalls vom Mikrofon aufgenommen wird. Digitale Signalverarbeitung kann helfen diese Probleme in den Griff zu bekommen.

 

Referent

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt und das Lehrstuhlteam,
Lehrstuhl für Digitale Signalverarbeitung und Systemtheorie
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

 

IHK-Ansprechpartner

Peter Mazurkiewicz
IHK zu Kiel
Telefon 0431/5194-252
Fax 0431/5194-552
E-Mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Contact

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmidt

E-Mail: gus@tf.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Faculty of Engineering
Institute for Electrical Engineering and Information Engineering
Digital Signal Processing and System Theory

Kaiserstr. 2
24143 Kiel, Germany

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